ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1...

18
НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ РУССКОГО ФИЗИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1-12 (ЖРФХО, Т. 84, вып. № 1) Продолжение научного журнала ЖРФХО РУССКОГО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА, возобновивших свою общественную, научную и издательскую деятельность в России 16 апреля 1991 г. Публикует: наиболее актуальные, полезные, оригинальные работы соотечественников в области естествознания; письма читателей и научные статьи, программы и методики, рекламу и технические предложения, анализ, обзор, прогноз; энергетика, экология, охрана здоровья, сельское хозяйство, промышленность, техника, технология, экономика, наука. Не чины и звания, ни возраст и профессия авторов, а степень общественной пользы и оригинальность их мысли – единственный критерий отбора работ для публикации Приоритетная защита всех публикуемых материалов. Предназначен для всех, кому не безразличны современные земные проблемы, кто ищет конкретное поле деятельности для эффективного приложения своих интеллектуальных способностей. ДЕВИЗ ЖУРНАЛА: « EXPERIMENTIA EST OPTIMA RERUM MAGISTRA » « Практика – замечательной мысли наставница » да Винчи

Upload: others

Post on 02-Jan-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ

РУССКОГО ФИЗИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА

ЖУРНАЛ

РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ

ЖРФМ, 2012, № 1-12

(ЖРФХО, Т. 84, вып. № 1)

Продолжение научного журнала ЖРФХО

РУССКОГО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА,

возобновивших свою общественную, научную

и издательскую деятельность в России

16 апреля 1991 г. Публикует:

наиболее актуальные, полезные, оригинальные работы

соотечественников в области естествознания;

письма читателей и научные статьи, программы и методики,

рекламу и технические предложения, анализ, обзор, прогноз;

энергетика, экология, охрана здоровья, сельское хозяйство,

промышленность, техника, технология, экономика, наука.

Не чины и звания, ни возраст и профессия авторов, а степень общественной пользы и оригинальность их мысли –

единственный критерий отбора работ для публикации

Приоритетная защита всех публикуемых материалов. Предназначен

для всех, кому не безразличны современные земные проблемы, кто

ищет конкретное поле деятельности для эффективного приложения

своих интеллектуальных способностей.

ДЕВИЗ ЖУРНАЛА:

« EXPERIMENTIA EST OPTIMA RERUM MAGISTRA »

« Практика – замечательной мысли наставница »

да Винчи

Page 2: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 54

НАЙКВИСТОР

Ю.Е. Виноградов

Версия причины «самозаряда» тонкоплѐночных

конденсаторов

Научно популярный журнал «Радио» в своѐ время

обращал внимание читателей на появление напряжения на

выводах конденсаторов большой ѐмкости, после хранения

предварительно разряженных конденсаторов в течение

нескольких суток. Объяснялся феномен остаточным зарядам в

структуре пластин конденсатора.

Современные конденсаторы фарадной ѐмкости

приобретают заряд сразу после изготовления и передаются

заказчику с закороченными выводами из соображений

техники электробезопасности.

Известен феномен «самозаряда» тонкоплѐночных

конденсаторов. Разработчики тонкоплѐночных конденсато-

ров, при попытке объяснить феномен самозаряда

конденсаторов после их изготовления, привлекают такие

понятия, как «нейтрино», «свободная энергия», «темная

энергия», «взаимодействие с потоками неизвестного излуче-

ния» и т.д.

Возникает два аспекта проблемы самозаряда конденса-

торов:

во-первых, требуется объяснение причины самозаряда;

во-вторых, можно ли использовать феномен самоза-

ряда для практического применения.

Page 3: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 55

***** При попытке параллельного присоединения к

тонкоплѐночному конденсатору конденсатора бумажного или

слюдяного – самозаряд в цепи двух конденсаторов не

наблюдается.

Очевидно, феномен самозаряда присущ только тонко-

плѐночным конденсаторам – конденсаторам с дифференци-

альной ѐмкостью, то есть конденсаторам, ѐмкость которых

зависит от величины напряжения и знака полярности

смещения на их обкладках.

Объяснение феномена самозаряда конденсаторов

Причина самозаряда конденсатора может быть, по

мнению авторов статьи, объясняться напряжением, которое

возникает внутри конденсатора за счѐт выпрямления ЭДС

переменного случайного шумового тока резистора потерь

конденсатора, при этом ЭДС шума имеет нулевое среднее

значение, а выпрямление этой шумовой ЭДС происходит в

режиме умножения напряжения.

Большинству радиоинженеров известно, что:

- шумовая ЭДС проводника определяется формулой

Найквиста [1];

- напряжение ЭДС шума мало и не превышает (в

максимальном случае) 1·10-3

вольт;

- известны параметры вольт-фарадных характеристик

(ВФХ), в том числе типового варикапа КВ109 (рис. 1.),

выпускаемого серийно [2.];

- известны параметры ВФХ других тонкоплѐночных

конденсаторов (рис. 2.), выполненных на основе

керамического диэлектрика [3.];

- Известна обобщѐнная электрическая схема замещения

конденсатора с дифференциальной ѐмкостью, в частности –

варикапа (рисунок 3).

Page 4: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 56

Рисунок 1 Рисунок 2

Рисунок 3

На схеме рисунка 3: VD – конденсатор с дифферен-

циальной ѐмкостью С=f(u); резистор r – составляющая

последовательного резистора потерь, этот резистор

ограничивает ток через диод и его величина до 100 раз

меньше ѐмкостного сопротивления конденсатора с

дифференциальной ѐмкостью; резисторы R – сопротивление

потерь диэлектрика конденсатора С=f(u), определяется

тангенсом угла потерь диэлектрика и превышает в 100 и

более раз емкостное сопротивление конденсатора на частотах

внутри рабочего диапазона частот конденсатора с

дифференциальной ѐмкостью.

Следует обратить внимание на шумящее сопротивление

потерь конденсатора (см. рисунок 3, резистор R). Это

Page 5: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 57

сопротивление является источником ЭДС шумового тока с

нулевым средним значением. Шумовая ЭДС оказывается

приложенной к обкладкам конденсатора и эта ЭДС шума

управляет емкостью конденсатора. Управление конденсато-

ром заключается в уменьшении его ѐмкости при изменении

напряжения от нуля в область отрицательного смещения

(рис.2) или в увеличении емкости, при изменении шумового

напряжения от нуля в положительную область смещения (до

напряжения смещения, приводящей к максимальной ѐмкости,

в частном приведенном случае – до напряжения около 0.5

вольт), а с повышение смещения выше 0.5 вольт и далее на

обкладках конденсатора, приводит к тому, что ѐмкость

конденсатора падает.

Полуволны ЭДС шума отрицательной полярности

меньше шунтируются конденсатором с дифференциальной

ѐмкостью (рис. 3) и создают во внешней цепи варикапа –

более значительное напряжение и более значительный общий

ток, чем положительные полуволны. Положительные

полуволны (величина ЭДС до 0.5 вольта), управляя ѐмкостью

конденсатора увеличивают его ѐмкость и тогда конденсатор

больше шунтирует ЭДС шума. Недостаточно шунтированные

– отрицательные полуволны шумовой ЭДС – создают во

внешней цепи ток преобладающего направления движения.

В ключе популярного рассуждения именно так следует

объяснить появление на конденсаторе с дифференциальной

ѐмкостью напряжения отрицательной полярности и заряда.

Для специалиста по теории радиосигналов и для

радиофизика не вызывает сомнение появление постоянной

составляющей и других гармоник в спектре переменного тока

нелинейной цепи, если к ней приложено напряжение ЭДС с

нулевым средним значением тока [4.]

Следует отметить, что в электрических цепях мощность

теплового шума элементов цепи не зависит от начальных

условий (от напряжения на элементе цепи, от тока через

элемент цепи), а в условиях согласования по мощности – и от

значений активного сопротивления участка цепи. Именно

Page 6: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 58

потому, после получения некоторого заряда, конденсатор

продолжает наращивать заряд на следующих полуволнах и

выбросах ЭДС шумов Найквиста. Увеличение заряда

конденсатора приводит к увеличению напряжения на

обкладках конденсатора и приводит к возрастанию тока

утечки через резистор утечки конденсатора с дифферен-

циальной ѐмкости. При установившемся равенстве тока

заряда и тока утечки – дальнейшее нарастание заряда в

конденсаторе прекращается и напряжение принимает

устойчивое напряжение. Это напряжение для разных

конденсаторов разное, ибо ток утечки, как правило возрастает

с ѐмкостью конденсатора.

Можно провести опыт, подтверждающий данную

версию причины самозаряда конденсаторов с дифферен-

циальной ѐмкостью. Электрическая принципиаль-ная схема

установки для проведения эксперимента приведена на

рисунке 4, справа. На схеме изображѐн шумовой резистор RШ

– являющийся резистором утечки конденсатора с

дифференциальной ѐмкостью, собственно конденсатора и

ключа КН. Конденсатор и ключ помещены в уголковый

байонетный разъѐм СР-50-81Ф, исключающий влияние

внешнего электромагнитного поля (в котором мы теперь

живѐм) на варикап С(U) и кнопку КН.

.

Рисунок 4

Варикап всегда подключен ко входу осциллографа

(одним выводом и потому, высокочастотные наводки, если бы

Page 7: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 59

они были, регистрировались бы осциллографом.), а другой

вывод варикапа с помощью кнопки КН периодически

подключается к общему проводу (корпусу) осциллографа.

При таком подключении конденсатор варикапа разряжается

на входное сопротивление осциллографа, как оказалось, за

интервал времени, исчисляемый в долях милисекунды.

Кнопка управляется нажатием, вручную, с кратковре-

менным нажатием на некотором интервале – от 0.1 до 10

секунд. Исследовались варикапы купленные в магазине в

2010 году (30 штук) и изъятые из аппаратов, изготовленных

20 годами раньше (шесть штук).

На первом этапе исследовалась повторяемость

полярности заряда конденсаторов после их разряда.

Свидетельством постоянности заряда в одинаковой

полярности является острый импульс одинаковой полярности

на экране с линейной развѐрткой осциллографа. При этом

режим развѐртки устанавливался автоматический, со

скоростью развертки 10 секунд на экран.

Варикапы типа КВ109, купленные в 2010 году

заряжаются не всегда в одну сторону. При периодическом

нажатии на клавишу с интервалом одну секунду

регистрируется случайная последовательность импульсов

разной полярности и амплитуды. Некоторое нажатие на

кнопку не сопровождается импульсом на осциллографе.

Варикапы старого изготовления ВСЕГДА заряжаются в

одну сторону и при нажатии на клавишу (с постоянным

интервалом между нажатиями) ВСЕГДА осциллограф

регистрирует импульс одинаковой полярности и почти

одинаковой амплитуды. При уменьшении интервала времени

между нажатиями – амплитуда импульса падает.

Оказалось, что вольт фарадная характеристика (ВФХ)

старых варикапов не симметричная, относительно оси с

напряжением равным нулю, тогда как ВФХ новых варикапов

близкая к симметрии. При симметричной ВФХ, случайный

импульс шумового сигнала, первый появившийся после

окончания разрядки конденсатора (после разрыва цепи

Page 8: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 60

кнопкой КН) – приводит к продолжению зарядки в этой

случайной полярности зарядки конденсатора и дальнейшие

выбросы шумового сигнала заряжают конденсатор в сторону

первого случайного выброса шума.

При несимметричной ВФХ – ВСЕГДА шунтируется

выброс одной и не шунтируется выброс другой полярности

ЭДС, в результате варикап всегда заряжается так, что на

катоде (куда направлена стрелка диода) – всегда образуется

положительный потенциала (рис. 4) и осциллограф

регистрирует положительный импульс разряда конденсатора

на входное сопротивление осциллографа.

На втором этапе испытаний оценивалась энергия

импульса и скважность – по сути – оценивалась мощность

зарядного тока конденсатора.

На рисунке показано, что площадь под импульсом

соответствует прямоугольному импульсу с шириной

импульса 0.1 ms.

При ширине импульса τ = 0.1 мС, и периоде между

нажатиями на кнопку Кн в 1.0 сек, скважность импульса, Q

равна:

Q = dt / τ = 1 / 10-4

= 10 000. (1.)

Средняя мощность тока при разряде конденсатора на

входную цепь осциллографа, Римп экс, зависит от величины

резистора нагрузки, коим является резистор Rвх =1.0 МОм

(входное сопротивление осциллографа), зависит от величины

амплитуды импульса (Uконд = 0.15В) и скважности, Q =

10 000:

Римп.экс = (Uконд )2/Rвх·Q = 2.25·10

-2/(10

6·1·10

4) = 2.25·10

-12 Вт

(2)

Известна формула для оценки мощности шума

единичного проводника, РЕД [1.]:

РЕД = N·k·T· dF, (3)

где: РЕД – мощность шумящего резистора (в Вт);

Page 9: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 61

- N – коэффициент шума проводника (от 1 до 1000);

- k – постоянная Больцмана (k =1.38·10 – 23

(дж·град-1

);

- Т – температура в градусах Кельвина;

- dF – полоса частот шумового тока в Гц.

Для варикапа КВ109 коэффициент шума, N = 1.3 [2.].

Тогда мощность шума теплового шума резистора потерь, при

температуре 300оК равна:

Ршума потерь = 1.3·1.38·10–23

(дж·град-1

) ·0.45·10

9 (Гц)·300 (°K) =

= 2.42·10-12

Вт (4.)

Экспериментальные данные мощности шума оказались

ниже на величину погрешности, σ:

σ = 100 (2.42-2.25)/2.42 = 6.9%. (5)

Совпадение теории и эксперимента –

УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНОЕ!

На третьем этапе испытаний исследовалось поведение

варикапа в сборке параллельного соединения с другим

конденсатором, но не тонкоплѐночным. Варикап был зашун-

тирован керамическим конденсатором ѐмкостью 2000 пико-

фарад.

Самозаряд сборки почти не регистрировался.

Это вполне объяснимо.

Появление нулевой гармоники тока шумовой ЭДС

обуславливается наличием нелинейности в цепи. Соединив

параллельно дифференциальную ѐмкость и линейную,

причем, если ѐмкость линейного конденсатора многократно

превышает ѐмкость (и тем более, величину изменения

ѐмкости от шумовой ЭДС) – суммарная емкость сборки

линеаризуется. При параллельном соединении конденсаторов

их ѐмкость складывается. В ней перестаѐт проявляться

явление дифференциальности, но, потеряв нелинейность в

цепи, становится потерянной и возможность появления

Page 10: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 62

гармоник тока от шумовой ЭДС (в том числе и нулевой

гармоники).

Кроме варикапов, исследовался самозаряд конденсато-

ров другого типа, а именно – конденсаторов с нелинейной

ѐмкостью, электролитических конденсаторов. Исследовались

конденсаторы – как новые, так и бывшие в употреблении.

Обнаружилось следующее:

Новые конденсаторы всегда заряжены, но заряжены

разнонаправлено. После подключения их к источнику

постоянного напряжения, соизмеримого с допустимым для

данного конденсатора, последующим разрядом и самозарядом

– все конденсаторы самостоятельно заряжаются в

одинаковую полярность на выводах конденсатора.

Напряжение самозаряда у всех новых конденсаторов после

временного подключения к источнику напряжения –

приблизительно одинаковые.

Конденсаторы (изъятые из материнских плат

компьютеров), одного типа, одной ѐмкости и одного

допустимого напряжения – заряжаются, как правило, в одну

сторону, но до разных напряжений. Напряжение самозаряда у

некоторых в 100 раз меньше, чем у других.

Скорость увеличения напряжения на конденсаторе,

при самозаряде, зависит от ѐмкости. Конденсаторы большой

ѐмкости заряжаются медленнее. Не обнаружено ни одного

случая превышения скорости заряда над оценочной

скоростью. Оценка скорости заряда выполнялась исходя из

ограничения мощности зарядного тока мощностью шумов

одного резистора потерь.

Из конденсаторов, бывших в употреблении и одного

нового, – создана сборка с последовательным включением

конденсаторов (фото 1) – новый конденсатор – с длинными

выводами. Суммарное напряжение самозаряда конденсаторов

оказывалось достаточным, чтобы светодиод излучал свет при

нажатии на кнопку. Яркость свечения светодиода оказывается

достаточной для регистрации вспышки глазом в условиях

Page 11: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 63

привычного освещения рабочего места конструктора. Из

рисунка видно, что не все конденсаторы соединены так,

чтобы плюсовой вывод одного соединялся с минусовым

выводом другого. Это говорит о том, что эффект

гальванического ЭДС нельзя строго применять к описанию

данного эксперимента.

Фото 1. Действующий найквистор Виноградова Ю.Е.

• При демонстрации макета (в течение 2 лет, в том числе на

трѐх международных конференциях) обнаружилось (вдруг),

что светодиод перестал излучать свет. Причиной этого

оказалась переполюсовка нового конденсатора. Он продолжал

самостоятельно заряжаться, до высокого напряжения (по

отношению к ЭДС шума), до 0.2 вольта, но в обратную

сторону. Суммарное напряжение самозаряда всей сборки

конденсаторов упало на 0.4 вольта. После инвертирования

включения конденсатора путѐм перепайки, опять, более года

– конденсаторы успешно самостоятельно заряжаются и

позволяют, при нажатии на кнопку – вспыхивать светодиоду,

но нижний правый конденсатор до сих пор заряжается в

противофазе с остальными. ****

• Объяснение причины переполюсовки электролитического

конденсатора затруднено в попытке объяснить появление

Page 12: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 64

напряжения на конденсаторах гальваникой, но легко

объяснить переполюсовку случайной формой Вольт-Фарад-

ной Характеристики (ВФХ) конденсаторов. Постоянство ВФХ

не являлась пунктом требований технического задания при

разработке варикапов и электролитических конденсаторов.

Сегодня форма ВФХ не нормируется и зависит от

температуры и условий эксплуатации (при низком или

высоком напряжении смещения обкладок конденсатора).

Приведѐнные сведения предоставляют много

аргументов в пользу правильности трактования феномена

самозаряда конденсаторов (как электролитических, так и

полупроводниковых), как заряд выпрямленными тепловыми

токами Найквиста. Сомнения останутся (и это правильно) –

до тех пор, пока не будут созданы специальные конденсаторы

с дифференциальной ѐмкостью с несимметричной ВФХ в

широком диапазоне температур и сборки таких конденсато-

ров.

Использование явления самозаряда

тонкоплѐночных конденсаторов для

практических целей

Обратившись к формуле мощности шума резистора (3)

необходимо отметить, что она не содержит параметров,

связанных с размерами проводника, а потому мощность

единичного источника шума и постоянного выпрямленного

тока парциального выпрямителя не зависит от габаритов

шумящего проводника. Однако, косвенно, уменьшение

габаритов шумящего проводника должно приводить к

увеличению мощности шума, ибо при сокращении размеров

конденсатора и шумящего проводника уменьшается величина

ѐмкости конденсатора и величина сопротивления и

индуктивности обкладок конденсатора. Это приводит к

увеличению полосы частот шумящего проводника и

увеличению мощности шума (см. формулу (3)).

Page 13: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 65

Современная технология производства микросхем

позволяют вырастить на одной подложке, например в

микросхеме флеш памяти площадью мене двух сантиметров

квадратных, более 1024·109 шт. (1024 миллиардов)

конденсаторов, у которых полоса шумящих частот резистора

потерь достигает 20 ГГц. При этом каждый варикап может

стать источником шума с выходной мощностью:

Р шума единичного = 2.24·10– 12

·(20/0.45) = 0.995·10 – 10

Вт., (6.)

где (20/0.45) – это отношение полос шума интегрального

резистора потерь (20 ГГц) и резистора потерь варикапа КВ

109 (0.45 ГГц.).

Полная мощность 1024 миллиардов варикапов из одной

микросхемы – равна:

РМИКРОСХЕМЫ = 0.995·10 – 10

·1024·109 ≈ 100.0 W. (7.)

**** при оценке (6) и (7) принимался коэффициент

шума N=1.3. Но, «древние» транзисторы, которые

выпускались 40 лет назад, имели коэффициент шума 1000, а

потому вполне реально ожидать при разработке специальных

шумящих варикапов – коэффициент шума много больше трѐх

(N>3). Тогда каждый сантиметр квадратный подложки может

стать основанием для источника мощностью 100 Вт, плата с

микросхемами, площадью один метр квадратный может стать

источником электрического тока, мощностью 1000 кВт и

источник этой выходной мощности не будет требовать

солнца, аккумуляторов электроэнергии и конверторов

напряжения. Необходимым условием работы источника будет

следующее: потребуется хорошо обдувать плату окружаю-

щим воздухом, чтобы в микросхемы передавать теплоту из

окружающего воздуха или другого объекта, чтобы микро-

схемы не «замерзли». Снижение температуры микросхем на

плате преобразователя теплоты в электрический ток приведѐт

к снижению выходной мощности.

Page 14: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 66

Конструирование силовых полупроводниковых прибо-

ров показало, что через один сантиметр квадратный можно с

температурным перепадом в 30 градусов передавать

тепловую мощность в 100 Вт. На плате площадью один метр

квадратный можно установить 10 тысяч микросхем и их

суммарная выходная мощность составит 1000 кВт. Для

обдува такой платы воздухом потребуется вентилятор

мощностью менее одного киловатта.

Выводы

Объяснѐн феномен самопроизвольного заряда тонко-

плѐночных конденсаторов.

Тонкоплѐночный конденсатор заряжается выпрямлен-

ным шумовым током собственного резистора потерь конден-

сатора;

Создан действующий макет изотермического

преобразователя теплоты в постоянный электрический ток.

Экспериментально измеренная выходная мощность макета

подтверждает правильность объяснения феномена.

При достигнутых успехах микроминиатюризации

(1024·109 варикапов/см

2 при 45 нм технологии), одна

микросхема может выдавать мощность, не менее Р = 100.0W;

Микросхему преобразователя можно назвать

«НАЙКВИСТОР», а стоимость еѐ бескорпусного варианта не

может быть более 100 рублей.

Удельная масса источника тока на Найквисторах –

ожидается не более 0.5 kg / kW мощности. У Боинга 747 –

удельная масса силовой установки 2.3 kg / kW.

**** Для сведения, самая дешѐвая из известных –

газотурбинная электростанция – введена в строй в Калуге в 1-

м квартале 2011 года, мощностью 30 тысяч кВт и стоимостью

1700 миллионов рублей (56.6 тысячи рублей за 1 кВт

мощности).

Page 15: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 67

Библиография

1. С.И. Баскаков. «Радиотехнические цепи и сигналы»,

М, Высшая школа, 1988г., стр.257.

2. А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др.

«Полупроводниковые приборы: Диоды…» Справочник. М.

Энергоиздат, 1982г.

3. Е.Ф. Певцов, А.С. Сигов, М.И. Малето, А.П. Свотина.

– Московский государственный институт радиотехники,

электроники и автоматики (технический университет) г.

Москва, Россия, «Комплексные измерения электрофизичес-

ких характеристик структур на основе сегнетоэлектрических

тонких плѐнок.», Харьковская научная ассамблея ISTFE-14

УДК: 537.226.

4. С.А. Ахманов, Ю.Е. Дьяков, А.С. Чиркин. «Введение

в статистическую радиофизику», стр. 363., М. Наука,

Физматлит, 1981г.

Приложение. Примеры возможного применения

теплоэлектрических преобразователей.

А). На фотографии 2 представлен автомобиль Lightning

GT. Этот автомобиль с электроприводами в колѐсах содержит

в каждой ступице по электродвигателю мощностью до 120

кВт (4×120 kW Lightning GT). Соответственно, решены

проблемы с размещением электродвигателей в ступицах

колѐс, проблема с электрической безопасностью (величиной

напряжения) и сечением подводящих проводов к электро-

двигателям.

Фото 2

Page 16: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 68

Разгон автомобиля до 100 км/час, с 4.0 секунд до 3.5

секунд может быть сокращѐн, если вместо тяжѐлых

аккумуляторов и конверторов напряжения будет работать

источник питания в виде теплоэлектрической панели

площадью метр квадратный. При этом и мощность источника

питания может достигать 1000 кВт.

Б). Соотношение габаритов источников тока для

питания бытовой аппаратуры приведено на фото 3.

Найквистор (микросхема над скрепкой фото 3) сможет без

подзарядки питать электронный прибор долго, до морального

старения электронного прибора. Аккумуляторы, питают без

подзарядки электронное устройство в течение только 1–5

суток.

Реально, любой радиоприбор при работе выделяет

теплоту, а отводит в виде излучения мощность соизмеримую

с долями ватта. Именно эту тепловую мощность нужно будет

потреблять из окружающего воздуха для поддержания

работоспособности радиоприбора (компьютера, лэптопа,

сотового телефона, плейера), ибо основная доля электро-

энергии будет генерироваться из выделяемой теплоты,

работающим электропри-

бором. При этом работа-

ющий радиоприбор будет

чуть холоднее окружаю-

щеего воздуха и работать

вечно, не требовать но-

вых батарей и зарядки

аккумуляторов.

Фото 3

В). Безграничным спросом может пользоваться агрегат

жизнеобеспечения для многоквартирных жилых домов,

коттеджей и фермерских хозяйств (фото 4).

Агрегат, по объѐму, соизмеримый с трубой вентиляции,

показанной на кровле дома, может иметь мощность более 200

Page 17: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 69

кВт. Несколько таких приборов достаточно для питания

электроэнергией, горячей, холодной водой и отоплением

много-квартирный дом широко распространѐнных строитель-

ных серий, с числом квартир до 100.

Можно над каждым подъездом устанавливать по такому

агрегату. Кредит на его

приобретение и уста-

новку окупится за срок

в 6–9 месяцев оплатой

коммунальных услуг по

старым тарифам, а по-

том отопление, электро-

энергия и вода станут в

3 раза дешевле.

Фото 4

Опубликованные работы автора на тему сообщения

1. «Другая энергетика», Ю.Е.Виноградов, ЭКО, 2006г,

№3, стр.21 – 42.

2. Выступал на международном симпозиуме, как

единственный русскоговорящий автор доклада, «Технологии

производства солнечных элементов и батарей, их

тестирование и испытание», конференцзал гостиницы

«Измайлово, 30 июня 2009г. Тема доклада: «Время

внедрения солнечных батарей прОшло!», www.sovtest.ru/.

3. «О практической возможности создания теплоэлек-

трической батареи», Виноградов Ю.Е, Виноградов С.Ю.,

Материалы конференции «Десятый юбилейный международ-

ный форум и выставка», «Высокие технологии ХХIвека»,

2010г., 21-24апреля 2009г, Москва, 2009г., ЦВК «Экспо-

центр», стр. 126-131.

4. «Возможности построения изотермических преобра-

зователей», Виноградов Ю.Е., Виноградов С.Ю., Труды 7-й

Международной научно-технической конференции, 18-19 мая

Page 18: ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ ЖРФМ, 2012, № 1 …rusphysics.ru/files/Vinogradov (2012).pdf · 2012-10-06 · «Журнал Русской Физической

Русское Физическое Общество

«Журнал Русской Физической Мысли», 2012, № 1-12, стр. 70

2010 года, Москва ГНУ ВИЭСХ. Часть 1, «Проблемы энерго-

обеспечения и энергоснабжения, стр.452-456».

5. «Инволюция» журнал «Инженер» №10, 2011г., стр.2-

8, Ю.Е. Виноградов, Л.С. Тряшина, Е.Ю. Виноградов, С.Ю.

Виноградов.

7. Поданы заявки в ФИПС. Патенты, включая междуна-

родные; не испрашивались.

Авторы статьи: Юрий Евгеньевич Виноградов, Л.С.

Тряшина, Е.Ю. Виноградов, С.Ю. Виноградов.

Виноградов Юрий Евгеньевич, автор действующего

изотермического преобразователя теплоты в постоянный

электрический ток, – найквистора